楼宇智能照明控制系统设计

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摘要随着科学技术的反战与人类生活水平的逐步提高，人民群众对现代智能建筑、智能家居、智能照明的要求已经不仅仅局限于普通的照明需要，还需要现代智能照明系统能够满足不同人群、不同种族的不同审美需求与舒适度要求，因此，传统采用人工控制方式为主的照明控制管理系统已经远远不能满足现代社会对照明的要求。因此，设计、开发一套符合社会需求的现代智能照明控制系统就显得有位迫切。本文提出了一种较新的智能照明控制系统设计方案。本方案主要是MCU为核心控制处理器，加以现在飞车流行的无线传感器网络对现代照明控制系统实施远程控制，其目的是为了实现现代照明控制系统真正意义的自动化、智能化、远程化，最终实现成本节约、能耗降低、绿色环保的社会节能要求。本文详细叙述了楼宇照明系统网络通信技术——ZigBee技术。因此，详细介绍了ZigBee技术的特点、组网方式、以及非常重要的Z-Stack协议栈。另外，本文详细介绍了ZigBee在楼宇照明系统中的应用，包括分布式控制、核心处理器流程和控制终端的实现。关键词：楼宇照明；现代智能；ZigBee技术。19 AbstracWiththedevelopmentofscienceandtechnologygraduallyimprovetheantiwarandthelevelofhumanlife,people'srequirementsofmodernintelligentbuildingandHomeFurnishing,intelligentlightingisnotlimitedtoordinarylightingneeds,butalsotheneedsofmodernintelligentlightingsystemcanmeetdifferentpeopleanddifferentaestheticneedsofdifferenttribesandcomfortrequirements,therefore,thetraditionalthemanualcontrolmanagementsystembasedlightingcontrolcannotmeettherequirementofmodernlighting.Therefore,itisurgenttodesignanddevelopamodernintelligentlightingcontrolsystemthatmeetstheneedsofsociety.Anewdesignschemeofintelligentlightingcontrolsystemisproposedinthispaper.TheprogramismainlyfortheMCUcontrolofthecoreprocessor,thewirelesssensornetworktonowpopularspeedontheimplementationoftheremotecontrolsystemofmodernlightingcontrol,itspurposeistorealizethetruemeaningofthemodernlightingcontrolsystemautomation,remoteandintelligentrealizecostsavings,reduceenergyconsumptionandgreenenergyrequirementsofsociety.Thispaperdescribesindetailthenetworkcommunicationtechnologyofbuildinglightingsystem--ZigBeetechnology.Therefore,thecharacteristicsofZigBeetechnology,thewayofnetworkingandtheveryimportantZ-Stackprotocolstackareintroducedindetail.Inaddition,thispaperintroducestheapplicationofZigBeeinbuildinglightingsystem,includingdistributedcontrol,coreprocessorflowandcontrolterminalimplementation.Keywords:buildinglighting;modernintelligence;ZigBeetechnology19 目录第1章ZigBee技术概述41.1ZigBee技术的特点41.2ZigBee协议框架51.3Z-Stack协议栈基本概念51.3.1设备类型51.3.2信道51.4Z-Stack栈协议规范61.5ZigBee组网技术61.6ZigBee的应用前景6第2章系统结构设计82.1基本原则82.2系统总体结构方案设计82.3核心处理器设计92.4Zigbee节点程序设计102.5核心处理器与终端控制通信设计12第3章楼宇照明控制系统硬件设计133.1硬件系统总体设计133.2核心控制器处理单元143.3分布式控制器接口电路设计143.4RS通信协议设计15总结17致谢18参考文献1919 第1章ZigBee技术概述1.1ZigBee技术的特点ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250Kbps、20Kbps和40Kbps的传输速率，它的传输距离在10～75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点。（1）低功耗:由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1MW，而且采用了休眠模式，功率低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其他无线设备望尘莫及的。（2）成本低:通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主要节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。低成本对于ZigBee是一个关键的因素。（3）时延短:通信时延和从休息状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。相比较而言，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）领域。（4）高容量:ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。（5）可靠性:ZigBee的可靠性在很多方面进行保证，物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，MAC应用层（APS部分）有应答重传功能。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当ZigBee网络受到外界干扰无法正常工作时，整个网络可以动态地切换到另一个工作信道上。（6）安全:ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（AccessControlList,ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AdvancedEncryptionStandard,AES-128)的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全性。（7）近距离:相邻节点间的有效覆盖范围在10～75m之间，再增加RF发射19 功率后，可增加到1～3km。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭和办公室环境。（8）低功率:ZigBee工作在20～250Kbps的较低功率，分别提供250Kbps（2.4GHz）、40Kbps（915MHz）和20Kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。1.2ZigBee协议框架ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应包括IEEE802.15.4的MAC和PHY层，以及ZigBee堆栈层：网络层、应用层和安全服务提供层。完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成，如下表2.1所示：表2-1ZigBee协议栈应用层应用层用户ZigBee平台通信栈应用程序接口ZigBee联盟平台安全层（128b加密）网络层（星状/网格/树状）硬件实现MAC子层IEEE802.15.4物理层868MHz/915MHz/2.4GHz1.3Z-Stack协议栈基本概念1.3.1设备类型协调器、路由器、终端设备1.3.2信道ZigBee采用直接序列扩频（DSSS）工作在工业科学医疗（ISM）频段在2.4G频段上IEEE802.15.4/ZigBee规定了16个信道，每个信道频道带宽度为5MHz。ZigBee与其他通信协议的信道冲突：15，20，25，26信道与Wi-Fi信道冲突较小；蓝牙基本不会冲突；无绳电话尽量不与ZigBee同时使用。19 1.4Z-Stack栈协议规范ZigBee联盟为协议栈定义了两个规范:Zigbee和ZgBeePRO。所有设备，只要遵循该规范，即使在不同厂商买的不同设备同样可以形成网络。ZigBee和ZigBeePRO之间最主要的特性差异就是对高级别安全性的支持。高级别安全性提供了一个在点对点连接之间建立链路密室的机制，并且当网络设备在应用层无法得到信任时增加了更多的安全性。像许多PRO特性那样，高级安全特性，对于某些应用而言非常有用。但在有效利用宝贵节点空间方面却付出很大代价。如果所建立的网络为一个ZigBee网络,那么ZigBeePRO设备将只能以有限的终端设备的角色连接和参与到该网络中，即该设备将通过一个父级设备与该网络保持通信，且不参与到路由或允许更多的设备连接到该网络中。同样如果网络最初建立了一个PRO网络，那么ZigBeePRO设备也只能以有限的终端设备的角色参与到该网络中来。如果应用开发者改变了规范。那么他的产品将不能遵循ZigBee联盟定义。规范的产品做成网络，也就是说该开发者开发的产品具有特殊性，通常称为关闭的网络。1.5ZigBee组网技术ZigBee协议是-个采用O-QPSK偏移四相监控调制和直序扩频序列(Dsss)技术的标准化、实用化、具有自组网与自愈能力的传感器阿络协议，它具有16个信道间隔为5MHZ的信道，从而将信号分解为具有多个信号编码的“化整为零”的信号形式，目的在于提高信号处理的安全性与可靠性。ZigBee网络节点主要分为路由节点(FFD)、终端节点(RFD)、协调器节点FFD)等三种类型节点。其中，RFD节点的主要功能是接收上一层级件输的信息数据，并且能够采集件感器网络终端的数据信息。ZigBee路由算法可以认为是一个应用在可能的情况下的分层路由策略。路由层充分研究了特设按需距离矢量（AdhocOnDemandDistanceVector,AODV)算法和摩托罗拉的Cluster-Tree算法。1.6ZigBee的应用前景整体物联网平台被称为感知网，家庭中各种各样的网关、传感器、摄像机等终端通过ZigBee接入到这个平台，然后通过3G/4G、WIFI进入互联网。用户在家可以直接用手机通过WiFi传到网关，去控制家里各种各样的传感器终端，不19 在家时，可通过登录感知网门户用手机或计算机轻松查看和控制家里各种传感器终端。在这个应用图谱中，3G/4G和WiFi是联网的动脉，而ZigBee就是连接传感终端的毛细血管。ZigBee-IP网关是感知网中的核心装备，该网关集成了3G/4G、WIFI和ZigBee这3种无线模块，能够通过3G/4G上网，也具备家里的无线路由器功能。ZigBee-IP网关的基本功能是打电话、上网等通信功能，再进一步是安防报警功能，包括门磁、遥控器、红外探测器、烟雾探测器、煤气探测器都可以通过ZigBee无线方式接入到网关，报警信号会马上被传送到控制部分启动应急措施。再进一步是智能家居功能，家里的灯光控制器、开关面板、电源插座等都可以通过ZigBee接入网关，用户可在下班之前把热水器和空调打开和远程关掉。每一个开关插座上能够实现精细的电量统计。最后一类功能是智慧传感，如血氧计、血糖计、血压计通过ZigBee接入网关，实时帮助用户记录身体健康数据，并把它传送到某一医疗网站上，网站后台的医疗服务团队就可根据这些数据随时给用户提供健康咨询服务。其应用领域主要包括以下几方面。●家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等。●工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制。●商业：智慧型标签等。●公共场所：烟雾探测器等。●农业控制：收集各种土壤信息和气候信息。●医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。19 第2章系统结构设计2.1基本原则现代楼宇智能照明控制系统的总体设计应该遵循如下几个原则:1.现代楼宇层数多、用户数量巨大、公共区域范围较广，因此，在整个楼宇建筑物均采用自动控制的管理方式其实并不现实，因此，在满足楼宇照明自动控制的基础上，可以适当考虑人工控制方式，将它作为自动控制方式的存效补充。2.现代楼宇智能照明控制系统所需节点数量较大，若采用所有数据全部送到中央处理器进行分析后再给出下一步执行指令的模式，势必造成数据件输控制的巨大压力，而且还有可能引起长延时，因此，现代楼宇智能照明控制系统应该采用分布式控制结构，也就是利用网络节点具备的数据处理能力，分散控制各自区域内照明设备，这样，就不再需要将所有数据件输到中央处理器。那么，核心处理器的主要职能则是对整个系统的监管、控制、适时调整。本文所采用的分布式结构如下图所示。由图可见，分布式处理节点就来用zigbee节点加以实现。图2-1楼宇智能照明控制系统分布式控制结构2.2系统总体结构方案设计由图2-1基本可知，分布式网络架构的楼宇智能照明控制系统主要包含了控制终端、分布式节点、核心处理器等三大类设备。其系统结构图如图2-2所示。图2-2分布式控制系统结构图19 由图2-2可见，控制终端主要是指数据來集与执行设备。数据采集主要是指加装在控制端的各种类型的件感器，用来实时监测件感器数据。执行设备则是指类似于电动窗帘、镇流器等用来调节照明设备相关参数或者是改变照明环境的设备。核心处理器则是整个楼宇智能照明控制系统的中央处理单元，主要实现数据汇总、分析、给出执行指令等职能。ZigBee网络最多时可以容纳65535个节点，而现代楼宇智能照明控制系统本身需要组建的是低功耗、低传输速率的能够处理大量数据信息的网络结构，这恰恰是ZlgBee网络能够满足的。此外，ZigBee节点不但能够来集终端控制设备的实时数据，还具备一定的数据处理能力，可以实现在特定区域内对照明设备及其相关要求的自动控制。2.3核心处理器设计选用MCU作为核心处理器主要功能在于存储相关数据信息，通过ZigBee节点实现与控制终端的数据、指令交互应答，从而实现整栋楼宇照明控制的自动合理监护。MCU核心处理器采用C/S架构，这是取稳定性好，低成本，安全性高的优势。网络接口用来建立能够同时接受多个终端命令的用户控制终端的通信接口。控制逻辑部分则主要用来实现控制终端算法的嵌入式数据库访问。数据库中储存的则是控制终端、控制算法、控制用户、ZigBee节点的物理地址、对因设备连接状态信息等相关数据信息。核心处理器的处理流程图如图2-3所示。图2-3核心处理器处理流程图19 由图2-3可见，核心处理器处理流程总计建立了三个并行执行的程序流程，具体描述如下：1.监听用户控制终端子程序。系统初始化之后，监听用户端口相关数据信息，根据应答机制，决定是否建立与控制终端的应答机制。若可以，则从数据库中获取数据相关信息，接受用户命令，并将用户命令转化为ZigBee节点能够接受的数据格式，发送给ZigBee节点，由ZigBee节点执行下一步命令。此过程结束后，返回监听端口状态，直到下一次数据交互请求开始。2.监听ZigBee端口程序。系统初始化之后，ZigBee节点实时向核心处理器汇报节点信息及时反馈ZigBee节点的物理地址以及对应设备连接状态信息等。核心处理器接受ZigBee节点数据信息并实现与嵌入式数据库之间的数据交互，更新数据库信息，直至本次数据交互完成为止。3.定时功能。此子程序主要是实现前述的定时场景模式切换以及定时查询楼宇照明状态信息。2.4Zigbee节点程序设计1.功能设计物理层(PHY)提供了两种服务：（1)PHY数据服务：(2)PHY到物理层管理实（thephysicallayermanagemententity，简称PLME)的管理服务接口。PHY数据服务能够通过各物理无线电信道实现物理层协议数据单元(PHYprotocoldataunits,PPDU)的化输。PHY的功能主要是激活无线电收发器、能量检测（energydetection，ED)、链路质量指示（linkqualityindication，LQI)、通道选择、空闲信道评估(clearchannelassessment，CCA)。该标准提供了基于直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS)的两种PHY选项，在2.4GHz、915MHz、868MHz时的数据速率分别为250kbps、40kbps、20kbps。由于传播损耗较低，较低频率下将提供更长的时间范围，而低速率则可以保证数据依输具有更高的灵敏度和更大的覆盖范围。2.程序结构作为分布式系统的关键所在，ZigBee网络节点的结构图如图2-4所示。19 图2-4ZigBee网络节点结构图由图2-4可知，ZigBee网络节点通过射频接口、控制逻辑单元、D/A接口或者是串口实现与被控设备之间的信息交互。具体讲，射频接口完成通信功能；控制逻辑实现算法计算以及参数调整：D/A接口或者是串口则是实现与不同类型的被控设备之间的数据信息交互。19 2.5核心处理器与终端控制通信设计核心处理器与终端控制之间的通讯处理程序如图2-5所示。图2-5核心处理器和控制终端的通信实现由图2-5可知，控制终端首先登录核心处理器，并验证成功过与否。若登录成功，则向核心处理器发送命令，核心处理器接收命令之后，依据控制算法的预先设定，做出相应应答，也就是转为处理中断程序。其间，应答结果就是对楼宇建筑物内的照明设备进行相应的控制。19 第3章楼宇照明控制系统硬件设计3.1硬件系统总体设计楼宇照明智能控制系统硬件部分总体设计图如图4-1所示。图3-1楼宇照明智能控制系统硬件系统总体设计图由图3-1可知，本硬件系统主要分为核心控制器处理单元、人体信号检测处理单元、光信号检测处理单元、驱动控制单元、键盘显示处理单元。本设计通过AT89C51单片机结合LED显示技术、红外传感技术、光感技术、延时技术、按键采集与处理等技术来实现对照明设备的智能控制，其原理为：(1)单片机通过继电器控制照明设备的打开或者关闭。(2)单片机通过光信号检测处理单元对照明设备周边亮度进行检测，如果亮度满足生活需要则保持照明设备的关闭状态；如果亮度不够则由单片机同时检测是否采集到了人体热释电传感信号。(3)如果检测到人体信号，单片机立刻控制照明设备打开；如果该芯片没有检测到人体信号，单片机控制照明设备继续保持关闭状态。(4)照明设备打开时，如果某一时刻单片机检测不到人体信号则延时一段时间后关闭，延时期间如果又检测到人体信号则结束延时。(5)根据应用场所及使用人群的不同可以通过设置单片机引脚的状态来设置不同的延时时间值。(6)在电路正常工作情况下，只要通过按下开关键盘按钮，就能对灯进行强制开关的控制，通过该按钮也能使电路切换为自动控制状态。19 3.2核心控制器处理单元本文选用ATMEL公司的AT89C51芯片作为核心控制器。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其接口电路原理图如图3-2所示。图3-2核心控制器处理单元接口电路原理图3.3分布式控制器接口电路设计在本文前述的设计思路中，采用的是分布式控制思路，分布式控制节点应用Zigbee节点来进行数据信号的传输，那么，怎样使用单片机对节点信号进行有效监控采集呢？本文选择的设计思路是加入分控制器。本文所选择的分控制器是低档型的AT89C2051，此芯片对应放置在需要采集、尤其是对于重点节点单元数据信号需要采集的Zigbee节点处，因为这些Zigbee节点基本代表的是节点物理地址以及对应楼宇建筑物内部相应照明设备的状态信息，而这些信息是照明控制系统对于进一步措施的基本判断依据，需要重点存储这些数据。其接口电路如图3-3所示。19 图3-3分控制器接口电路3.4RS通信协议设计在分布式集散控制系统中，往往需要一个主机与多个从机。主机功能主要是控制整个系统的有效运行，从机的功能则是在负责区域内采集相关节点的数据信号，并完成与主机之间的数据信号交互，以此实现系统内数据信号的互通有无，其示意图如图3-4所示。图3-4通信协议示意图由图3-4可见，主机与从机之间通过TXD实现点到点的数据信号交互，RXD则主要是从机接受来自于主机的数据信息。在本文中，本文选择RS485实现主机与从机之间的通信协议转换。主机与从机之间的信号交互以中断的方式加以体现，而且从机相互之间无法完成信号交互。19 主机与从机的通信电路图分别如图3-5与图3-6所示。图3-5主机通信接口电路图图3-6从机通信接口电路图19 总结值本次综合课程设计结束之际，在这里我们真诚地感谢靳鸿老师、崔建峰老师和谢锐老师的悉心指导及同学们的支持。正是在老师们的悉心指导和耐心细致地讲解及同学们的相互帮助下，使我们完成了本次的课程设计学习。在这次综合课设中，我主要在以下四方面进行：（1）基于ZigBee技术的智能系统的相关内容。（2）基于51单片机的控制系统的前期准备工作。（3）基于MicrosoftVisio2010进行流程框图及电路框图的绘制工作。（4）基于Protel99SE以及福昕阅读器专业版将Sch和PCB文件转换成高清图片的工作。本次综合课程设计，可以说是对所学理论知识整体的综合性运用，设计的内容融合了大学二、三年级的所学，对我们从整体上把握电气工程学科有了很高的要求。通过本次设计我们对所学习的基础知识和专业知识有了更加理性和深层的认识，并锻炼和提高了实际动手和实践能力，为我们将来走向工作岗位打下了良好结实的基础。19 致谢值本次综合课程设计结束之际，在这里我们真诚地感谢靳鸿老师、崔建峰老师和谢锐老师的悉心指导及同学们的支持。正是在老师们的悉心指导和耐心细致地讲解及同学们的相互帮助下，使我们完成了本次的课程设计学习。本次综合课程设计，可以说是对所学理论知识整体的综合性运用，设计的内容融合了大学二、三年级的所学，对我们从整体上把握电气工程学科有了很高的要求。通过本次设计我们对所学习的基础知识和专业知识有了更加理性和深层的认识，并锻炼和提高了实际动手和实践能力，为我们将来走向工作岗位打下了良好结实的基础。19 参考文献[1]华姜仲等.ZigBee技术与实训教程[M].北京.清华出版社,2014.[2]葛广英等.ZigBee原理、实践及综合应用[M].北京.清华大学出版社，2015.[3]陈功.楼宇智能照明控制设计与实现[D].电子科技大学，2014.19